纖維增強復合材料備受人們關注,它具有十分顯著的特點。與金屬材料或其他無機材料相比,它的質量輕、比強度高、耐腐蝕、電絕緣、耐瞬時超高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透過電磁波,是一種兼具功能和結構特性的新型材料。
玻璃纖維增強復合材料(俗稱“玻璃鋼”)是發(fā)展較早的一種復合材料,它是以玻璃纖維及其制品為增強材料,以熱固性或熱塑性樹脂為基體,通過一定的成型工藝而制成的一種結構物。它的學名為玻璃纖維增強塑料。1958年原建材部部長賴際發(fā)提出來一個通俗而又形象的名稱“玻璃鋼”,現(xiàn)在已被國內外同行業(yè)界所認同。
通過對此類玻璃鋼復合材料構造的分析,與傳統(tǒng)材料相比,復合材料有以下特點。①材料的可設計性復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了極大的靈活性。復合材料的力學、機械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等物理、化學性能都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求,通過組分材料的選擇和匹配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段,最大限度地達到預期目的,以滿足工程設備的使用性能。
②可同時提供表面防腐和結構防腐性能防腐蝕用復合材料既能提供優(yōu)良的防腐蝕性能,又能作為結構材料,提供優(yōu)良的力學性能,達到結構防腐蝕性。
而普通的防腐蝕材料,諸如防腐蝕涂料、內襯橡膠板材、膠泥襯砌塊材(耐酸瓷板、鑄石板、花崗石塊材等),則只能作為防腐蝕層使用。一旦這類防腐蝕層出現(xiàn)破壞,將使受保護的部分結構受到腐蝕侵害,導致主體結構出現(xiàn)安全隱患。
③復合材料結構設計包含材料設計傳統(tǒng)材料的結構設計中,只需按要求合理選擇定型化的標準材料。而在復合材料結構設計中,材料是由結構設計者根據(jù)設計條件自行設計的。如上所述,復合材料結構往往是材料與結構同時形成的,且材料也具有可設計性。因此,復合材料結構設計是包含材料設計在內的一種新的結構設計,它可以從材料和結構兩方面考慮,設計人員可以根據(jù)結構物的特點,對結構物中不同的部位,視其不同的受力狀態(tài)設計不同性能的復合材料。
④材料性能對復合工藝的依賴性復合材料結構在形成過程中有組分材料的物理和化學變化發(fā)生,不同成型工藝所用原材料種類、增強材料形式、纖維體積含量和鋪設方案也不盡相同。因此,構件的性能對工藝方法、工藝參數(shù)、工藝過程等依賴性很大,同時也由于在成型過程中很難準確地控制工藝參數(shù),所以一般來說復合材料構件的性能分散性也是比較大的。
對于復合材料結構物,因為結構和材料是一體,使成型制造的各種結構物造型比較容易實現(xiàn),甚至可以實現(xiàn)結構物的整體設計。而這一優(yōu)越性的發(fā)揮依賴于復合材料結構設計和制造工藝設計的密切結合。合理的結構設計應該考慮到制造工藝的可能性,制造工藝設計則應最大限度地保證實現(xiàn)結構物的最優(yōu)設計。
⑤復合材料具有各向異性和非均質性的力學性能特點從力學分析的角度看,復合材料與常規(guī)材料(如金屬材料)的顯著區(qū)別是,后者被看作是均質的和各向同性的,而前者是非均質和各向異性的。所謂均質就是物體內各點的性能相同,也就是說,物體的性能不是物體內位置的函數(shù);而非均質正好與此相反。所謂各向同性就是在物體內一點的各個方向上都具有相同的性能;而各向異性則表明某點的性能是該點方向的函數(shù)。
由于復合材料具有強烈的各向異性和非均質性的特點,因而在外力作用下其變形特征不同于一般各向同性材料。一種外力常常可以引起多種基本變形,其單層和層合板的強度及各種參數(shù)都是方向的函數(shù)。所以,研究復合材料的力學性能時,要注意它的復雜性和特異性。在進行結構設計時除了要考慮結構物中的最大應力,還要注意因材料各向異性特點反映出來的薄弱環(huán)節(jié),這主要是剪切性能和橫向性能遠弱于纖維方向性能。
⑥優(yōu)良的綜合性能由于防腐蝕用復合材料所具備的組成特點,使得選用復合材料作防腐蝕材料的制品或部位,可同時具備優(yōu)良的防腐蝕性能、電性能(導電或絕緣)、熱性能(導熱或絕熱)。
例如,玻璃纖維和樹脂材料本身為電絕緣和絕熱材料,具有優(yōu)良的電絕緣性能和絕熱性能。但是,我們可以根據(jù)實際需要,通過在防腐蝕樹脂中引人導電或導熱組分,從而使得復合材料具備相應的導電性能或導熱性能。
⑦良好的表面性能防腐蝕復合材料在制作成型的過程中,可以通過調節(jié)模板的表面狀況、表面層樹脂及增強材料的品種以及制作工藝,使防腐蝕復合材料制品形成極為光滑的表面。并且使得該表面可根據(jù)需要而具備疏水、疏油、耐磨、導熱、導靜電、防結垢等特殊性能。